(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上方に形成された酸素を含む絶縁膜と、
前記絶縁膜に形成された凹部と、
前記凹部の内壁に形成されたマンガンを含むバリアメタル膜と、
前記バリアメタル膜上に形成された銅を含む第１の膜と、
前記第１の膜上方であって、前記凹部に埋め込まれた銅を含む第２の膜と、
前記第１の膜と前記第２の膜の間にマンガンを含む酸化層とを有し、
前記バリアメタル膜のマンガン濃度は前記第１の膜のマンガン濃度より高いことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１の膜の膜厚が１ｎｍ〜１５ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
半導体基板上にゲート電極とソース・ドレイン領域を有するトランジスタを形成する工程と、
前記半導体基板上方に酸素を含む絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の内壁にバリアメタル膜を形成する工程と、
前記バリアメタル膜上に銅とマンガンを含む金属膜を所定の膜厚に成膜する工程と、
前記金属膜上方であって、前記凹部を埋める銅を含む膜を形成する工程と、
前記銅を含む膜の形成後に熱処理をして、前記金属膜中のマンガンを前記バリアメタル膜へと拡散させる工程と、を有し、
前記熱処理後の前記バリアメタル膜のマンガン濃度は、前記熱処理後の前記金属膜のマンガン濃度よりも高いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記熱処理前の前記金属膜のＭｎ濃度が、０．２原子％〜３０原子％であり、かつ、膜厚が１ｎｍ〜１５ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記熱処理前の前記金属膜のＭｎ濃度が、０．２原子％〜１００原子％、かつ、膜厚が１ｎｍ〜４．５ｎｍであることを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記熱処理前の前記金属膜のＭｎ濃度が、０．２原子％〜３０原子％、かつ、前記金属膜を任意の膜厚を成膜後、エッチングにより１５ｎｍ以下の膜厚にする工程を含むことを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記凹部を埋める銅を含む膜の形成工程は、前記凹部を埋めて前記銅を含む膜を電解メッキ法により形成する工程と、前記銅を含む膜の電解メッキ法による形成後に熱処理を、１００〜１５０℃の温度で実行する工程とを特徴とする、請求項３〜６のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記金属膜の膜厚を、
前記熱処理前の前記金属膜中における原子％で表したマンガン濃度ｘが、０原子％<ｘ<３０原子％の場合には、１５ｎｍ以下に設定し、また
前記マンガン濃度ｘが３０原子％≦ｘ≦１００原子％の場合には、式ｙ＝４６５［原子%・ｎｍ］／ｘで与えられる膜厚ｙ［ｎｍ］以下に設定することを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に半導体装置に係り、特に多層配線構造を有する半導体装置およびその製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日の半導体集積回路装置においては、共通基板上に莫大な数の半導体素子が形成されており、これらを相互接続するために、多層配線構造が使われている。
【０００３】
多層配線構造では、配線層を構成する配線パターンを埋設した層間絶縁膜が積層される。
このような多層配線構造では、下層の配線層と上層の配線層とが、層間絶縁膜中に形成されたビアコンタクトにより接続される。
【０００４】
特に最近の超微細化・超高速半導体装置では、多層配線構造中における信号遅延（ＲＣ遅延）の問題を軽減するため、層間絶縁膜として低誘電率膜（いわゆるｌｏｗ−ｋ膜）が使われる。これと共に、配線パターンとして、低抵抗の銅（Ｃｕ）パターンが使われている。
【０００５】
このようにＣｕ配線パターンを低誘電率層間絶縁膜中に埋設した多層配線構造においては、Ｃｕ層のドライエッチングによるパターニングが困難であるため、層間絶縁膜中に予め配線溝あるいはビアホールを形成するいわゆるダマシン法あるいはデュアルダマシン法が使われる。ダマシン法あるいはデュアルダマシン法では、このようにして形成された配線溝あるいはビアホールをＣｕ層で充填し、その後、層間絶縁膜上の余剰なＣｕ層を化学機械研磨（ＣＭＰ）により除去する。
【０００６】
その際、Ｃｕ配線パターンが層間絶縁膜に直接に接すると、Ｃｕ原子が層間絶縁膜中に拡散し、短絡などの問題を惹起するため、Ｃｕ配線パターンが形成される配線溝あるいはビアホールの側壁面および底面を、導電性拡散バリア、いわゆるバリアメタル膜により覆い、Ｃｕ層を、かかるバリアメタル膜上に堆積することが一般になされている。バリアメタル膜としては、一般的にタンタル（Ｔａ）やチタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）などの高融点金属、あるいはこれら高融点金属の導電性窒化物が用いられる。
【０００７】
一方、最近の４５ｎｍ世代あるいはそれ以降の超微細化・超高速半導体装置では、微細化に伴い層間絶縁膜中に形成される配線溝あるいはビアホールの大きさが著しく縮小されてきている。
【０００８】
これに伴って、このような比抵抗の大きなバリアメタル膜を使って所望の配線抵抗の低減を実現しようとすると、これら微細な配線溝あるいはビアホールに形成されるバリアメタル膜の膜厚を可能な限り減少させる必要がある。
【０００９】
一方、バリアメタル膜は、配線溝あるいはビアホールの側壁面および底面を連続的に覆う必要がある。
【００１０】
このような事情に関連して特許文献１は、層間絶縁膜中に形成された配線溝あるいはビアホールを、銅マンガン合金層（Ｃｕ−Ｍｎ合金層）により直接に覆っている。
【００１１】
この特許文献１では、かかるＣｕ−Ｍｎ合金層と層間絶縁膜との界面に、厚さが２〜３ｎｍで組成がＭｎＳｉxＯyのマンガンシリコン酸化物層を、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層中のＭｎと層間絶縁膜中のＳｉおよび酸素との自己形成反応により、拡散バリア膜として形成する技術が記載されている。
【００１２】
しかしこの技術では、自己形成される層がＭｎＳｉxＯyの組成を有し、膜中に含まれる金属元素、すなわちマンガン（Ｍｎ）の濃度が低いことに起因して、Ｃｕ膜に対する密着性が不十分である問題が認識されている。
【００１３】
このため特許文献２には、Ｃｕ−Ｍｎ合金層とＴａやＴｉなどの高融点金属バリアメタル膜を組みあわせた構成のバリアメタル構造が記載されている。
【００１４】
このようにＣｕ−Ｍｎ合金層とＴａやＴｉなどの高融点金属バリアメタル膜を組みあわせたバリアメタル構造では、以下のような事情で、耐酸化性が向上する好ましい特徴も得られる。
【００１５】
近年、信号遅延（ＲＣ遅延）を回避する目的で、層間絶縁膜を構成する低誘電率材料として、多孔質低誘電率膜の使用が提案されている。しかし、このような多孔質低誘電率材料は密度が低く、製造時にプラズマによるダメージを受けやすい問題を有している。ダメージを受けた膜は、その表面や内部に水分を吸着しやすくなる。
このためこのような多孔質低誘電率膜上に形成されたバリアメタル膜は、多孔質誘電体膜中に吸着された水分の影響を受けて酸化しやすく、拡散バリアとしての性能、およびＣｕ配線層あるいはビアプラグに対する密着性が劣化しやすい。
【００１６】
ところが、先に説明したＣｕ−Ｍｎ合金層をこのような構造においてシード層として用いると、Ｃｕ−Ｍｎ合金層中のＭｎが、バリアメタル膜の酸化部分と反応し、拡散バリアとしての性能およびＣｕ配線層あるいはビアプラグに対する高い密着性を維持することが可能となる。
【００１７】
ところで、Ｃｕ配線層の形成を電解メッキ法により行う場合には、シード層の形成を、シード層が配線溝あるいはビアホールの側壁面および底面を連続的に覆うように行う必要がある。シード層が不連続であると、電解メッキの際に配線あるいはビアプラグにボイドを生じる恐れがある。このようなシード層をスパッタリング法で形成する場合には、形成されたシード層がビアホールの側壁面および底面を確実に連続的に覆うように、リスパッタなどにより、配線溝あるいはビアホールの側壁面に充分な膜厚のシード層を形成することが考えられる。しかし、このような方法では、配線溝やビアホールの上部に形成されるシード層のオーバーハングも大きくなってしまう。オーバーハングが大きくなると、その後の電解メッキによる埋め込みマージンが著しく低下し、電解メッキの際にボイドが生じやすい。
【００１８】
一方、半導体装置の微細化の結果、配線溝の幅あるいはビアホールの径が狭くなっているが、これとともに、シード層の薄膜化が必要になっている。しかし、特にシード層をスパッタリング法で形成する限り、配線溝やビアホールの側壁面および底面を充分な膜厚で被覆することは、特に微細化の進んだ半導体装置では極めて困難になっている。さらに層間絶縁膜に弾性率の低いｌｏｗ−Ｋ材料を用いた場合、エッチング後に配線溝あるいはビアホールの断面形状にボウイングが生じることがあり、特に表面積の大きい配線溝の側壁部では、シード層が連続膜であっても、膜厚のゆらぎの結果、局所的に膜厚が減少することがある。
【００１９】
配線溝の側壁部においてシード層の膜厚がこのように局所的に減少すると、電解メッキ法による銅配線形成工程の初期において、前記シード層が前記薄膜部において溶解してしまう恐れがある。このように部分的に溶解したシード層を使って電解メッキ工程を行った場合、その後の熱処理工程において、シードの局所薄膜部に該当する箇所にボイドが発生する問題が生じることがある。
【００２０】
このようなシード層の微小な溶解によるボイド発生では、一般にメッキ直後には埋め込み不良は見られず、熱処理工程を行って初めてボイドが発生することが特徴的である。これは、電解メッキの際に配線パターン自体はボトムアップフィル機構によって形成されるため、Ｃｕメッキ膜が見かけ上はボイドなく形成されるが、シード層が溶解した箇所においてはＣｕメッキ膜とバリアメタル膜との密着性が不十分で、その後の熱処理による急激なストレス変化で、このような箇所においてボイドが発生するものと考えられる。
【特許文献１】特開２００３−２１８１９８号公報
【特許文献２】特開２００７−２７２５９号公報
【特許文献３】特開２００７−１４１９２７号公報
【特許文献４】特開２００７−１４２２３６号公報
【特許文献５】特開２００７−１７３５１１号公報
【特許文献６】米国特許６１３６７０７号
【特許文献７】特開２００７−２８１４８５号公報
【特許文献８】特開２００４−１１１９２６号公報
【特許文献９】特開２００６−２４９４３号公報
【特許文献１０】特開２０００−９１２７１号公報
【特許文献１１】特開２００４−１５３２７４号公報
【特許文献１２】特開２００５−５１１８５号公報
【特許文献１３】特開２００１−１６０５９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
ところで、このような高融点金属バリアメタル膜と組みあわせてバリアメタル構造を形成するＣｕ−Ｍｎ合金層では、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層中におけるＭｎの濃度は高い方が、配線の信頼性が向上する。
【００２２】
図１Ａは、図１Ｂに示すテスト構造について、大気中、１５０〜２００℃の温度で５００時間の熱処理を行い、ストレスマイグレーション耐性を調査した結果を示す。
【００２３】
最初に図１Ｂを参照するに、シリコン基板１１上にはＳｉＯＣなどのＬｏｗ−ｋ膜１２が形成されている。前記ＳｉＯＣなどのＬｏｗ−ｋ膜１２は、幅が６５nm~１０μｍ、深さが約１５０ｎｍの配線溝１２Ｔが形成されている。さらに前記配線溝１２Ｔは、その側壁面および底面を覆う厚さが３ｎｍから１５ｎｍのＴａよりなるバリアメタル膜１２Ｂを介して、Ｃｕ配線パターン１２Ｃにより充填されている。
【００２４】
さらに前記ＳｉＯＣなどのＬｏｗ−ｋ膜１２上には、厚さが１０〜１００ｎｍの炭化シリコン膜（ＳｉＣ膜）１３を介して別のＳｉＯＣなどのＬｏｗ−ｋ膜１４が、５０〜１５０ｎｍの膜厚に形成されている。前記ＳｉＯＣなどのＬｏｗ−ｋ膜１４上には、厚さが１０〜１００ｎｍのＳｉＣ膜１５を介して別のＳｉＯＣなどのＬｏｗ−ｋ膜１６が１２０〜１８０ｎｍの膜厚に形成されている。
【００２５】
前記ＳｉＯＣなどのＬｏｗ−ｋ膜１６は、前記ＳｉＯＣなどのＬｏｗ−ｋ膜１４を露出するように、幅が６５ｎｍ〜１０μｍ、深さが１２０〜１８０ｎｍの配線溝１６Ｔが前記ＳｉＣ膜１５を貫通して形成されている。前記配線溝１６Ｔ中には、前記ＳｉＯＣなどのＬｏｗ−ｋ膜１４およびＳｉＣ膜１３を貫通して、前記Ｃｕ配線パターン１２Ｃを露出するビアホール１４Ｖが、７０ｎｍの径で形成されている。
【００２６】
さらに前記配線溝１２Ｔ，１６Ｔは、前記配線溝１２Ｔおよび１６Ｔの側壁面および底面を覆うＴａよりなる厚さがそれぞれ３〜１５ｎｍのバリアメタル膜１２Ｂあるいは１６Ｂを介して、Ｃｕ配線パターン１２Ｃあるいは１６Ｃにより充填されている。前記Ｃｕ配線パターン１６Ｃのうち、前記ビアホール１４Ｖを充填する部分はＣｕビアプラグ１６Ｖを形成する。
【００２７】
前記シリコン基板１１上には、このような構成の多数のテスト構造が、領域Ｉ，ＩＩなどに対応して、前記配線パターン１２Ｃあるいは１６Ｃの幅Ｗを、上記範囲で様々に変化させて形成されている。
【００２８】
その際、図１Ｂのテスト構造では、前記バリアメタル膜１２Ｂ，１６Ｂと前記Ｃｕ配線パターン１２Ｃ，１６ＣあるいはＣｕビアプラグ１６Ｖとの間に、厚さが６０ｎｍのＣｕ−Ｍｎ合金層１２１６Ｍを介在させている。
【００２９】
図１Ｂのテスト構造において、配線パターン１２Ｃは、シード層形成、電解メッキおよび化学機械研磨（ＣＭＰ）を含むダマシン法により、また配線パターン１６Ｃおよびビアプラグ１６Ｖも、シード層形成、電解メッキおよびＣＭＰを含むデュアルダマシン法により形成される。またバリアメタル膜１２Ｂおよび１６Ｂ、およびＣｕ−Ｍｎ合金層１２Ｍおよび１６Ｍは、Ｃｕ−Ｍｎ合金をターゲットに使ったスパッタ法により、室温以下の温度において形成されている。
【００３０】
図１Ａは、図１Ｂのテスト構造を使い、上記条件でストレスマイグレーション耐性を調査した結果を示す。
【００３１】
図１Ａを参照するに、「ＰｕｒｅＣｕ」と記載した試料は、前記図１Ｂの構造においてＣｕ−Ｍｎ層１２Ｍ，１６Ｍを形成しなかった試料であり、対照標準をなす。ただし図１Ａ中、縦軸は、検出されたコンタクト不良の数を表しており、前記対照標準試料により規格化されている。
【００３２】
図１Ａ中、「Ｃｕ−０．２ａｔ％Ｍｎ」と記載した試料は、前記図１Ｂの構造において、Ｃｕ−Ｍｎ１２Ｍ，１６Ｍとして、０．２原子％のＭｎを含んだＣｕ−Ｍｎ合金を使った場合を、「Ｃｕ−０．５ａｔ％Ｍｎ」と記載した試料は、前記図１Ｂの構造において、Ｃｕ−Ｍｎ層１２Ｍ，１６Ｍとして、０．５原子％のＭｎを含んだＣｕ−Ｍｎ合金を使った場合を、また「Ｃｕ−２ａｔ％Ｍｎ」と記載した試料は、前記図１Ｂの構造において、Ｃｕ−Ｍｎ層１２Ｍ，１６Ｍとして、２原子％のＭｎを含んだＣｕ−Ｍｎ合金を使った場合を示す。
【００３３】
図１Ａより明らかなように、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１２Ｍおよび１６Ｍを設けることにより、コンタクト不良の発生数は、設けなかった場合の１／４以下に減少する。特に前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１２Ｍ，１６Ｍ中におけるＭｎの濃度を増加させることにより、この不良発生数をさらに低減できることがわかる。
【００３４】
ところが、このようにＣｕＭｎ合金層１２Ｍ，１６Ｍを高融点バリアメタル膜１２Ｂ，１６Ｂに隣接して形成し、かつＣｕＭｎ合金層１２Ｍ，１６Ｍ中のＭｎ濃度を増加させた場合、Ｃｕ配線パターン１２Ｃ，１６ＣあるいはＣｕビアプラグ１６ＶはＭｎを含む。Ｃｕビアプラグ１６ＶがＭｎを含む結果、Ｃｕ配線パターン１２Ｃ，１６ＣあるいはＣｕビアプラグ１６Ｖの抵抗値が増大してしまう問題が生じる。
【００３５】
ところで図１Ｂの配線パターン１２Ｃあるいは１６Ｃにおいて、電解メッキにより良好な銅配線の形成を行うためには、電解メッキ時の電極となるシード層（図示されないＣｕシード層またはＣｕＭｎ合金層１２Ｍあるいは１６Ｍ）が充分な膜厚を有し、連続膜を形成し、良好なステップカバレッジを有することが必要になる。しかし、配線溝１２Ｔあるいは１６Ｔの配線幅Ｗが狭くなるにつれて、図示されないＣｕシード層またはＣｕＭｎ合金層１２Ｍあるいは１６Ｍを充分な膜厚で、かつ良好なステップカバレッジで形成することは、極めて難しくなる。特に、図示されないＣｕシード層またはＣｕＭｎ合金層１２Ｍあるいは１６Ｍをスパッタリング法で成膜した場合には、配線幅Ｗが９０ｎｍ以下になると。配線溝１２Ｔあるいは１６Ｔの側壁部において局所的に膜厚が減少し、膜厚のゆらぎが生じてしまう。
【００３６】
配線溝１２Ｔあるいは１６Ｔの側面部においてＣｕシード層またはＣｕＭｎ合金層１２Ｍあるいは１６Ｍの膜厚が局所的に減少すると、その後の電解メッキによる配線パターン１２Ｃあるいは１６Ｃへの銅配線の形成の初期に、図示されないＣｕシード層あるいはＣｕＭｎ合金層１２Ｍあるいは１６Ｍのうち、特に微少な前記局所的薄膜部が溶解し、その後の熱処理工程で、配線溝１２Ｔあるいは１６Ｔ側面部の図示されないＣｕシード層あるいはＣｕＭｎ合金層１２Ｍあるいは１６Ｍの局所薄膜部に該当する箇所にボイドが発生する問題が生じることがある。
【００３７】
この図示されないＣｕシード層またはＣｕＭｎ合金層１２Ｍあるいは１６Ｍの微小な部分の溶解によるボイド発生の特徴的な点は、電解メッキの際にボトムアップフィル機構により、配線パターン１２Ｃあるいは１６Ｃが埋め込まれる結果、図１Ｃに示すように見かけ上は埋め込み不良が無く、熱処理を行うことで初めて、図１Ｄに示すようにボイドが発現することである。これは、微小な溶解箇所においてメッキ膜とバリアメタル膜１２Ｂあるいは１６Ｂとの密着性が不十分な状態にあり、その後に熱処理により、その部分に急激なストレス変化がかかるためであると考えられる。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
一の側面によれば半導体装置は半導体基板と、前記半導体基板上方に形成された酸素を含む絶縁膜と、前記絶縁膜に形成された凹部と、前記凹部の内壁に形成されたマンガンを含むバリアメタル膜と、前記バリアメタル膜上に形成された銅を含む第１の膜と、前記第１の膜上方であって、前記凹部に埋め込まれた銅を含む第２の膜と、前記第１の膜と前記第２の膜の間にマンガンを含む酸化層とを有し、前記バリアメタル膜のマンガン濃度は前記第１の膜のマンガン濃度より高い。
【００３９】
他の側面によれば半導体装置の製造方法は半導体基板上にゲート電極とソース・ドレイン領域を有するトランジスタを形成する工程と、前記半導体基板上方に酸素を含む絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、前記凹部の内壁にバリアメタル膜を形成する工程と、前記バリアメタル膜上に銅とマンガンを含む金属膜を所定の膜厚に成膜する工程と、前記金属膜上方であって、前記凹部を埋める銅を含む膜を形成する工程と、前記銅を含む膜の形成後に熱処理をして、前記金属膜中のマンガンを前記バリアメタル膜へと拡散させる工程と、を有し、前記熱処理後の前記バリアメタル膜のマンガン濃度は、前記熱処理後の前記金属膜のマンガン濃度よりも高い。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、酸素を含む層間絶縁膜中に形成した凹部を、ＣｕとＭｎを含む金属膜で覆い、さらに前記凹部を、前記金属膜を介してＣｕ層で充填した後、熱処理することにより、前記金属膜中のＭｎを前記層間絶縁膜との界面に濃集させることができ、前記凹部を充填するＣｕ層と前記層間絶縁膜との間に、効果的な拡散バリアを形成することができる。
その際、本発明では、前記金属膜の膜厚を最適化することにより、高濃度のＭｎを含む金属膜を使いながら、熱処理後においては前記金属膜中のＭｎを実質的に全て前記金属膜から排除することが可能となり、高いバリア膜としての性能を確保しつつ、前記凹部を充填するＣｕ層の抵抗率を低減することが可能になる。
【００４３】
このようなプロセスでは、当初形成された金属膜の表面において雰囲気中に含まれる酸素と結合したＭｎ原子は、前記金属膜中の他のＭｎ原子が前記金属膜から排除された後も、Ｍｎを含む酸化層の形で、前記金属層の当初の表面に対応する位置に残留し、ＳＩＭＳプロファイルなどにおいて、特徴的なＭｎと酸素の濃集を示す構造が得られる。
【００４４】
さらに本発明によれば、層間絶縁膜中に形成した凹部を電解メッキ法により、前記金属膜を介してＣｕ層で充填する場合、電解メッキ工程の後で８０〜１２０℃までの比較的低い温度で熱処理することにより、膜中の応力が緩和され、前記金属膜の局所的な溶解によるボイドの発生の問題を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
［原理］
本発明の発明者は、本発明の基礎となる研究において、先に図１Ｂで説明した試料をシリコン基板１１上に、様々なパターン幅Ｗで形成し、熱処理した場合の配線抵抗の変化を調べた。
この研究により図２に示すように、配線パターン幅Ｗが減少するにつれて、配線抵抗の上昇率も低減する、興味深い関係が成立することを見いだした。ただし図２の関係は、前記図１Ｂの試料を、窒素雰囲気中、４００℃で３０分間熱処理した場合についてのものである。
【００４６】
図３は、図２の実験で使われた試料の概略を示す。
ただし図３中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図３では、図面が複雑になるのを避けるため、先に図１Ｂに示した部分のうち、配線パターン１６Ｂとバリアメタル膜１６Ｂの一部のみを図示している。
【００４７】
図３の断面図は、領域ＩＩに示すように前記Ｃｕ配線パターン１６Ｃの幅Ｗが小さい場合を示す。
【００４８】
この場合にはＣｕ配線パターン１６Ｃの断面積で表されるＣｕの総量に対するＣｕ配線パターン１６Ｃと層間絶縁膜１６との接触面積の割合が、領域Ｉに示すようにＣｕ配線パターン１６Ｃの幅Ｗが大きい場合に比べて大きいことがわかる。そこで前記図２に示す、配線パターン幅Ｗが減少するにつれて、配線抵抗の上昇率も低減する関係に着目する。このようなＣｕ配線パターン１６Ｃ、および図３には図示していないがビアプラグ１６Ｖと、層間絶縁膜１４あるいは１５との間の界面領域においては、何らかの化学反応が生じていると推測される。
【００４９】
図４は、前記図１Ｂの試料において配線幅Ｗを３μｍとした場合における、Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍの膜厚と抵抗上昇率との関係を示す図である。ただし図４において、Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍの膜厚は、前記層間絶縁膜１６の上面、すなわちＣＭＰ法により平坦化された平坦面上において測定している。また、前記抵抗上昇率は、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍを設けなかった場合を基準（０％）としている。さらに図４の実験においても、前記図１Ｂの試料を窒素雰囲気中、４００℃の温度で３０分間熱処理している。
【００５０】
図４を参照するに、Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６は０．５原子％のＭｎを含んでいるが、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６の膜厚が増大するにつれて、Ｃｕ配線パターン１６Ｃの抵抗上昇率も略直線的に増大しているのがわかる。これは、大きな膜厚のＣｕ−Ｍｎ合金層１６ＭをＣｕ配線パターン１６Ｃとバリアメタル膜１６Ｂの間に介在させると、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍ中のＭｎの影響により、Ｃｕ配線パターン１６Ｃの抵抗が増大することを示している。
【００５１】
ところが、図４の関係から、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍの膜厚が減少する方向に外挿すると、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍの膜厚が約１５．５ｎｍの臨界膜厚以下となる場合がある。この場合、Ｍｎを含んだＣｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍを、前記Ｃｕ配線パターン１６ＣあるいはＣｕビアプラグ１６ＶとＴａバリアメタル膜１６Ｂとの間に形成していても、Ｃｕ配線層１６Ｃの抵抗上昇率はゼロである、すなわち抵抗上昇が生じないことがわかる。これは、Ｃｕ配線パターン１６Ｃの抵抗値に対するＭｎの影響が現れないことを意味する。
【００５２】
そこで、前記図２の関係、および図４の関係の意味するところを解明するため、実験に使った試料に対し、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）を使い、エネルギ分散スペクトル（ＥＤＳ）を使った元素分析を行った。
【００５３】
図５（Ａ）は、前記ＳＴＥＭによるＣｕ配線パターン１６Ｃの断面像を、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）中、深さ方向に走査して得たＭｎの特性Ｘ線強度分布を示す。
【００５４】
図５（Ａ）を参照するに、「バリアメタル」は、図１Ｂの試料におけるＴａバリアメタル膜１６Ｂに対応する。その上に、Ｃｕ配線パターン１６Ｃと挟持されるように、当初１５．５ｎｍの膜厚でＣｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍが形成される。このＣｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍは、前記窒素雰囲気中、４００℃の温度で３０分間の熱処理により、Ｃｕ配線パターン１６Ｃと同化していることが見いだされた。またこれに伴い、図５（Ｂ）のＥＤＳプロファイルよりわかるように、バリアメタル膜１６Ｂ中におけるＭｎ濃度が大きく増大していることが見いだされた。
【００５５】
これは、前記図１Ｂの構造に対する前記４００℃での熱処理の結果、実質的に全ての前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍ中のＭｎ原子がバリアメタル膜１６Ｂに移動し、Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍが、実質的にＭｎを含まないＣｕ層に変化したことを意味している。またこれは、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍ中のＭｎ濃度が０．５原子％である場合、平坦面上における前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍの膜厚が、約１５．５ｎｍまでならば、かかる熱処理により、実質的にほとんど全ての膜中のＭｎ原子をＴａバリアメタル膜１６Ｂに移動させることができることを意味している。これによりＣｕ配線パターン１６Ｃ中のＭｎ濃度を、配線抵抗には影響しない濃度まで下がる事ができる。
【００５６】
このようにバリアメタル膜１６Ｂに移動したＭｎ原子は前記バリアメタル膜１６Ｂに固溶する。しかし前記Ｍｎ原子の一部は、前記バリアメタル膜１６Ｂに隣接して存在する酸素を含有した層間絶縁膜１４あるいは１６からの酸素と反応してＭｎ酸化物を形成する。このＭｎ酸化物は、前記バリアメタル膜１６Ｂ内部、あるいは前記バリアメタル膜１６ＢとＣｕ配線パターン１６Ｃとの界面、あるいはバリアメタル膜１６Ｂと層間絶縁膜１４あるいは１６との界面などに析出し、安定に保持される。またＳｉＣよりなるエッチングストッパ膜２３、２５も、実際には多量の酸素を含んでおり、このような安定なＭｎ酸化物の形成は、バリアメタル膜１６Ｂとエッチングストッパ膜２３，２５との間の界面においても生じると考えられる。
【００５７】
上記図４，５の結果は、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍが０．５原子％のＭｎを含んでおり、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍの膜厚が１５ｎｍである場合についてのものであったが、このような、実質的に全ての膜中のＭｎ原子をバリアメタル膜１６Ｂに移動できるようなＣｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍの膜厚、すなわち臨界的な膜厚は、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍ中のＭｎ濃度にも関係すると考えられる。
【００５８】
このため、本発明の発明者は、前記図３の構造の試料において様々なＭｎ濃度のＣｕ−Ｍｎ合金層を前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍとして使い、幅Ｗが３μｍのＣｕ配線パターン１６Ｃについて、その抵抗上昇率を測定した。
【００５９】
図６は、このような幅Ｗが３μｍのＣｕ配線パターン１６Ｃについての抵抗上昇率の測定結果を示す。ただし図６中、縦軸は前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍを設けなかった場合に対する抵抗上昇率を示し、横軸は、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍの膜厚に、膜中のＭｎ濃度を乗じた量を示しているが、この量は、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍ中のＭｎ原子の総量に対応している。
【００６０】
図６を参照するに、前記Ｃｕ配線パターン１６Ｃの抵抗上昇率は、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍ中のＭｎ原子の総量とともに略直線的に増大している。この抵抗上昇率がゼロにおけるＭｎ原子総量が、そのＭｎ濃度においてバリアメタル膜１６Ｂ中に移動可能な、臨界的なＭｎ量であると考えられる。前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍ中のＭｎ量が、この臨界的なＭｎ量（以下、「消費Ｍｎ量」と記す）を超えると、前記バリアメタル膜１６Ｂ上には熱処理後もＣｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍが残留し、Ｃｕ配線パターン１６Ｃの抵抗の増大を招く。
【００６１】
図７は、前記図６において横軸切片で表される消費Ｍｎ量と、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍ中におけるＭｎ濃度の関係を示す。
【００６２】
図７を参照するに、前記消費Ｍｎ量（ｙ軸）とＣｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍ中におけるＭｎ濃度（ｘ軸）との間には、傾きが１５．４８９で、式ｙ＝１５．４８９ｘで表される比例関係が成立するのがわかる。この図７の傾きは、厚さの次元（ｎｍ）を有することに注意すべきである。
【００６３】
すなわち、図７の関係式ｙ＝１５．４８９ｘは、前記消費Ｍｎ量が、厚さが１５．４８９ｎｍのＣｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍの場合、膜中におけるＭｎ濃度ｘに比例して増大する。
また前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍの、平坦面上における膜厚を１５．４８９ｎｍ以下に設定しておけば、いずれのＭｎ濃度であっても、熱処理により実質的に全ての膜中のＭｎ原子をＴａバリアメタル膜１６Ｂに移動させることができることを意味している。この１５．４８９ｎｍの厚さは、先に図４の関係から推測された、約１５．５ｎｍのＣｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍの臨界膜厚に一致している。
【００６４】
なお、図８にＴａバリアおよびＴｉバリアを用いた場合におけるＭｎ消費量の関係を示す。
この図に示すように、前記図６のような臨界的なＭｎ消費量の存在は、前記バリアメタル膜１６ＢとしてＴａ膜を使った場合のみならず、Ｔｉ膜を使った場合にも観察されている。
図中に示すようにＭｎ消費量の差は、横軸切片近傍の矢印で表される実験誤差の範囲内であり非常に近い。これは、層間絶縁膜から発生せしめる酸素量が、層間絶縁膜上に成膜したバリアメタル種に因らないことに起因する。よって上記の結論は、Ｔａバリア膜に限定されるものではないことが判った。
【００６５】
図８中、◆は、前記図６に既に示した、バリアメタル膜１６ＢにＴａバリアメタル膜を使った例で、Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍ中におけるＭｎ濃度を０．５原子％とした場合を示す。一方■は、前記バリアメタル膜１６ＢにＴｉバリアメタル膜を使った例を示す。この場合にも、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍ中におけるＭｎ濃度は、同じく０．５原子％としている。
【００６６】
図８を参照するに、前記バリアメタル膜１６ＢとしてＴｉ膜を使った場合でも、Ｃｕ配線パターンの抵抗上昇率は、Ｃｕ−Ｍｎ合金膜１６Ｍ中のＭｎ量の減少とともに減少する。しかしＭｎ量が０〜約７ａｔ％・ｎｍまでの範囲では、Ｍｎの存在が抵抗上昇に現れないことがわかる。
【００６７】
次に、前記図７の関係が適用可能なＭｎ濃度範囲について、図９に示すＣｕ−Ｍｎ二成分系の相平衡図を使って検討する。
【００６８】
図９を参照するに、４００°の温度領域では、Ｃｕ−Ｍｎ合金中のＭｎ濃度が３０原子％までの組成範囲では、Ｃｕ−Ｍｎ合金は単一相をとることができることがわかる。しかしＣｕ−Ｍｎ合金中のＭｎ濃度が３０原子％以上に増大すると、Ｍｎが析出をはじめ、Ｃｕ−Ｍｎ合金相とＭｎの二相状態が出現する。
【００６９】
このため、図１０Ａに示すように、前記図７の、Ｍｎ消費量が前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍ中のＭｎ濃度とともに増大する関係が有効なのは、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６M中のＭｎ濃度が約３０原子％、Ｍｎ消費量が４６５ａｔ％・ｎｍの最大値に達するまでの濃度範囲であり、それを超えると、Ｍｎ消費量の値は、前記最大値４６５ａｔ％・ｎｍで一定となる。
【００７０】
そこで、図１０Ｂに示すように、前記Ｃｕ配線パターン１６Ｃに抵抗の増大を生じないＣｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍの、平坦面上における最大膜厚ｙは、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍ中のＭｎ濃度ｘが約３０原子％までの範囲では、１５．４８９ｎｍ、あるいは約１５ｎｍであり、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍ中のＭｎ濃度が前記約３０原子％の濃度を超えると、双曲線的に、ｙ＝４６５／ｘの関係に従う。換言すると、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍ中のＭｎの総量（ｘ×ｙ）として４６５ａｔ％・ｎｍを維持する関係（ｘ×ｙ＝４６５）に従って、減少する。
【００７１】
このことから、前記図１Ｂのような、層間絶縁膜あるいは絶縁膜１２，１４〜１６中に形成された凹部を、高融点金属バリアメタル膜１２Ｂならびに１６Ｂおよびその上のＣｕ−Ｍｎ合金層１２Ｍあるいは１６Ｍを介してＣｕ配線パターン１２Ｃ，１６Ｃでそれぞれ充填するダマシン、あるいはデュアルダマシン構造のＣｕ配線パターンにおいては、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１２Ｍあるいは１６Ｍ中のＭｎ濃度が３０原子％以下、例えば前記図６，７に示した０．２原子％以上、３０原子％以下の濃度範囲である場合、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１２Ｍあるいは１６Ｍの平坦面上における膜厚を１５．４８９ｎｍあるいは約１５ｎｍ以下、例えば１ｎｍから１５ｎｍの範囲に設定することにより、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１２Ｍあるいは１６Ｍ中のＭｎ原子を実質的に全て、高融点金属バリア膜１２Ｂあるいは１６Ｂにそれぞれ移動させることが可能となることがわかる。その結果、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１２Ｍあるいは１６Ｍ中のＭｎ原子濃度は、Ｃｕの抵抗には影響しない濃度まで下がり、Ｃｕ配線パターン１２Ｃ，１６Ｃの抵抗上昇が回避される。
【００７２】
また、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１２Ｍあるいは１６Ｍ中のＭｎ原子濃度ｘが約３０原子％を超えた場合であっても、ｎｍ単位で表した前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１２Ｍあるいは１６Ｍの平坦面上における膜厚ｙを、ｙ≦４６５／ｘの関係で与えられる膜厚以下に設定することにより、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１２Ｍあるいは１６Ｍ中のＭｎ原子を実質的に全て、高融点金属バリア膜１２Ｂまたは１６Ｂにそれぞれ移動させることが可能となり、Ｃｕ配線パターン１２Ｃまたは１６Ｃの抵抗上昇が回避される。例えば、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍが５０原子％のＭｎを含んでいる場合、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍを、平坦面上において測った膜厚が９．３ｎｍ以下となるように形成すればよい。前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍが８０原子％のＭｎを含んでいる場合には、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍを、平坦面上において測った膜厚が５．８ｎｍ以下となるように形成すればよい。また前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍが１００原子％のＭｎを含んでいる場合、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍを、平坦面上において測った膜厚が、４．７ｎｍ以下となるように形成すればよい。すなわち、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍを４．７ｎｍ以下の膜厚に形成する場合には、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍ中のＭｎ濃度を、０原子％を超え１００原子％以下の、任意の濃度に設定することができる。
【００７３】
また前記図６〜８は、幅Ｗが３μｍのＣｕ配線パターン１６Ｃについてのものであるが、上記の結果は、他の配線幅あるいはビアプラグ径の配線パターンに対しても適用可能であることは明らかである。
【００７４】
さらに前記バリアメタル膜１２Ｂ，１６Ｂは、先にも述べたようにＴａ膜に限定されるものではなく、ＴａやＴｉ、さらにＺｒやＲｕなどの高融点金属元素の少なくとも一つを含む金属膜であってもよい。
【００７５】
さらに前記熱処理工程は窒素雰囲気中、４００℃での熱処理に限定されるものではなく、窒素やＡｒなどの不活性雰囲気中、１００℃〜４００℃の範囲の温度での熱処理により実行することができる。
【００７６】
図１１は、前記図１Ｂの構造において、Ｍｎ濃度が０．２原子％から３０原子％の範囲のＣｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍを１５ｎｍの膜厚で形成し、このようにして得られた構造を窒素雰囲気中、４００℃で熱処理した場合に典型的に得られる構造を示す。
ただし図１１中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００７７】
図１１を参照するに、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１２Ｍ，１６Ｍについては、前記熱処理の結果、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１２Ｍ，１６Ｍ中のＭｎ原子が、実質的に全てＴａバリアメタル膜１２Ｂ，１６Ｂにそれぞれ移動し、抵抗には影響しないＭｎ濃度まで下がっている。また当初Ｃｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍが形成されていた領域は、このようなＭｎの脱離の結果、前記Ｃｕ配線パターン１２Ｃ，１６Ｃに連続するＣｕ膜１２ｃ１，１６ｃ１により、置き換えられている。
【００７８】
ただし、図１１に示すように、当初Ｃｕ−Ｍｎ合金層１２Ｍ，１６Ｍの表面であった部分には、酸素原子がＭｎ原子と結合して形成された酸化物の層１２Ｏｘ，１６Ｏｘが薄く残留する。前記Ｃｕ配線パターン１２Ｃ，１６Ｃは、当初のＣｕ−Ｍｎ合金層１２Ｍ，１６Ｍが存在していた前記領域１２ｃ１，１６ｃ１と、当初のＣｕ配線パターン１２Ｃ，１６Ｃが存在していた領域１２ｃ２，１６ｃ２とに分けられる。
【００７９】
図１２は、Ｃｕ，Ｍｎ，および酸素原子の分布を示すＳＩＭＳ（secondary ion mass spectroscopy）プロファイルである。この図では、熱処理後における前記図１１のＣｕ配線パターン１２Ｃにおける、当初Ｃｕ−Ｍｎ層１２Ｍが存在していた領域まで含めて求めている。
【００８０】
図１２を参照するに、当初Ｃｕ−Ｍｎ層１２Ｍの表面であった部分に、１０20／ｃｍ3に達する強い酸素濃度の集中が観察され、またかかる酸素の集中に伴い、同じ位置にＭｎの集中が生じているのがわかる。
【００８１】
図１３Ａは、前記図１Ｂの構造を、配線溝１２Ｔに、Ｔａバリアメタル膜１２Ｂの形成の後、さらにＣｕ−Ｍｎ合金層１２Ｍを形成し、これを、例えば枚葉式基板処理装置の真空搬送室を介してＣｕ膜の成膜室に搬送した状態を示す。
【００８２】
図１３Ｂは、前記図１Ｂの構造を、配線溝１６Ｔおよびビアホール１４Ｖに、Ｔａバリアメタル膜１６Ｂの形成の後、さらにＣｕ−Ｍｎ合金層１６Ｍを形成し、これを、例えば枚葉式基板処理装置の真空搬送室を介してＣｕ膜の成膜室に搬送した状態を示す。
【００８３】
図１３Ａ，１３Ｂを参照するに、枚葉式基板処理装置の真空搬送室は、真空状態であっても酸素を完全に排除することはできず、実際にはかなりの濃度の酸素が真空雰囲気中に含まれているのがふつうである。このため、雰囲気中の酸素が前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１２Ｍ，１６Ｍの表面に吸着し、これが前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１２Ｍ，１６Ｍ中のＭｎ原子とそれぞれ反応する。これにより前記表面に前記Ｍｎ酸化物層１２Ｏｘ，１６Ｏｘが、前記バリアメタル膜１２Ｂ，１６Ｂの表面から、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層の膜厚に対応する距離だけ離間して、それぞれ薄く形成されることになる。このようなＭｎ酸化物層１２Ｏｘ，１６Ｏｘは、前記図１３Ａ，１３Ｂの凹部をＣｕ配線パターン１２Ｃ，１６Ｃでそれぞれ充填し、その後熱処理を行っても、図１２よりわかるように当初の位置に残る。
【００８４】
すなわち、図１１に示すような、Ｃｕ配線パターン１２Ｃ，１６Ｃ中に、バリアメタル膜１２Ｂ，１６Ｂの表面からそれぞれ離間した位置における薄いＭｎ酸化物層１２Ｏｘ，１６Ｏｘの存在は、いったんバリアメタル膜１２Ｂ，１６Ｂ上にＣｕ−Ｍｎ合金層１２Ｍ，１６Ｍを形成し、さらに前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１２Ｍ，１６Ｍ中のＭｎ原子をバリアメタル膜１２Ｂ，１６Ｂへそれぞれ移動させたプロセスの明らかな痕跡を示すことになる。
【００８５】
以上の実験では、前記バリアメタル膜１２Ｂ，１６Ｂとして、Ｔａ膜を約６ｎｍの膜厚に形成しているが、前記バリアメタル膜１２Ｂ，１６Ｂの膜厚が少なくとも３ｎｍ〜１５ｎｍの範囲においては、上記の機構によるＣｕ−Ｍｎ合金層１２Ｍ，１６Ｍからのバリアメタル膜１２Ｂ，１６ＢへのＭｎ原子の除去は、有効に作用する。
【００８６】
図１４は、前記図１Ａのグラフに、前記図１１の構造の試料についての結果（図中「本発明」）を重ねて示す図である。ただし図１４中、「本発明」の試料は、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層１２Ｍ，１６Ｍが２原子％のＭｎを含んでいる場合についてのものである。
【００８７】
図１４を参照するに、図１１の構成により、ストレスマイグレーションによる断線を効果的に抑制できることがわかる。
【００８８】
図１５は、電解メッキ法により形成された銅メッキ膜について１５０℃、１２０℃、１００℃、８０℃の温度で熱処理を行った場合の、熱処理時間に対する応力の変化を示すグラフである。ただし図１５において応力の変化は、ウェハの反りを常温において測定することにより求めている。
【００８９】
図１５を参照するに、熱処理により銅メッキ膜に応力変化が生じているが、時間と共に応力変化は減少し、膜が安定化していることがわかる。これは、銅メッキ膜中におけるＣｕ結晶粒の成長によるものと考えられる。図１５の関係より、応力緩和による結晶粒の安定が達成されるには、少なくとも熱処理温度が８０℃以上必要で、特に１２０℃以上で６０秒以上、より好ましくは９０秒の処理時間が必要であることがわかる。半導体装置の製造スループットの観点からでは、より短時間で完了させることが望ましいが、１００℃以上の温度で熱処理する場合には、２５０秒の熱処理時間で充分であることがわかる。一方、８０℃未満の温度では、現実的な時間内で所望の膜の安定化を実現することはできない。
【００９０】
図１６は、前記図１Ｂの試料でＣｕ−Ｍｎ合金層１２Ｍ，１６Ｍが任意濃度のＭｎを含む場合について、配線パターン１２Ｃ，１６Ｃを電解メッキによりＣｕ層で充填した後、１５０℃、１００℃、および２５℃の温度で熱処理し（「２５℃」の実験では、実際には熱処理を行わない）、さらに余剰のＣｕ層をＣＭＰ法で除去して得られた配線パターン１２Ｃについて、前記図１Ｄで示したのと同様なＣＭＰ工程後の欠陥数を調査し、さらに図１Ｂに示すテスト構造について、ストレスマイグレーションによる不良数を調査した結果を示す図である。
【００９１】
図１６を参照するに、熱処理温度を低温にすればするほどＣＭＰ工程後の欠陥数を低減できることがわかる。例えば熱処理温度が１００℃では、熱処理温度が１５０℃の場合の３０％以上、１２０℃では２０％以上の欠陥を低減することが可能であることがわかる。
【００９２】
一方で、ストレスマイグレーション耐性については、１５０℃と１００℃で熱処理を行った試料間で、大きな差異はみとめられないものの、低温側の１００℃付近でやや僅かに改善が見られる。また、熱処理を全く行わなかった場合にのみ、著しくストレスマイグレーション耐性が劣化しているのがわかる。
【００９３】
以上、図１６の結果から、前記図１Ｂの試料において、Ｃｕ−Ｍｎ合金層１２Ｍ，１６Ｍが任意濃度のＭｎを含む場合、配線パターン１２Ｃ，１６Ｃを、電解メッキによりＣｕ層で充填した後に、１００〜１５０℃の温度領域で熱処理を実施することで、ストレスマイグレーション耐性を若干改善し、また１００〜１２０℃の温度領域で熱処理を実施することでシード層の局所的な溶解に起因する欠陥を１５０℃の場合に対して２０％〜３０％低減できることが示された。
【００９４】
図１７Ａを参照するに、図示していないトランジスタとタングステンプラグが形成された半導体基板２１上に形成された絶縁膜２２には、所定の配線パターンに対応した配線溝２２Ｔが形成される。
さらに前記絶縁膜２２上には前記配線溝２２Ｔの側壁面および底面を覆って、ＴａやＴｉ、あるいはＺｒ，Ｒｕなどの高融点金属元素を少なくとも一つ含むバリアメタル膜２２Ｂが、スパッタ法あるいはＡＬＤ（atomic layer deposition）法などにより、前記配線溝２２Ｔの断面形状に整合した形状で、１〜１５ｎｍの膜厚に形成される。なお前記バリアメタル膜２２Ｂは、金属膜には限定されず、ＴａＮやＴｉＮなど、Ｔａ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｒｕから選択される一又は複数の金属元素を含む金属膜の他に、導電性金属窒化膜であってもよい。
【００９５】
次に、図１７Ｂに示すように、前記図１７Ａに示したバリアメタル膜２２Ｂ上に、Ｍｎを含むＣｕ−Ｍｎ合金膜２２Ｍが、前記配線溝２２Ｔの断面形状に整合した形状で、例えばＣｕ−Ｍｎ合金ターゲットを使ったスパッタ法により、１０-1ＰａのＡｒ雰囲気中、室温以下の基板温度で、１０ｋＷのプラズマパワーを投入して形成される。その際、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金膜２２Ｍ中のＭｎ濃度が約３０原子％以下、例えば０．２原子％から３０原子％の間である場合には、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金膜２２Ｍは、平坦面上において約１５ｎｍ以下の、例えば１〜１５ｎｍの範囲の膜厚を有するように形成される。一方、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金膜２２Ｍ中のＭｎ濃度が３０原子％を超える場合には、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金膜２２Ｍは、平坦面上における膜厚が、ｘを前記Ｃｕ−Ｍｎ合金膜２２Ｍ中のＭｎの原子濃度であるとして、式ｙ＝４６５／ｘで与えられる膜厚ｙ以下になるように形成される。
【００９６】
次に、図１７Ｃに示すように、前記図１７Ｂの構造上にＣｕ膜２２Ｃ１がメッキシード層として、例えばスパッタ法やＣＶＤ法により、前記配線溝２２Ｔの断面形状に整合した形状で、約４０ｎｍの膜厚に形成される。
【００９７】
次に図１７Ｄに示すように、前記図１７Ｃの構造上に前記Ｃｕ膜２２Ｃ１をメッキシード層としてＣｕ層２２Ｃ２が、前記配線溝２２Ｔを充填するように形成される。さらに図１７Ｅに示すように、前記図１７Ｄの構造がＣＭＰ法により、前記絶縁膜２２の表面が露出するまで研磨され、前記配線溝２２ＴがＣｕ配線パターン２２Ｃにより充填された構造が得られる。
【００９８】
さらに図１７Ｅの構造上に、図１７Ｆに示すように、ＳｉＣよりなるエッチングストッパ膜２３を、前記Ｃｕ配線パターン２２Ｃを覆うように、１０〜１００ｎｍの膜厚に形成する。このようなエッチングストッパ膜２３の成膜は、典型的には４００℃の温度で実行され、その結果、前記Ｃｕ配線パターン２２Ｃを構成する前記Ｃｕ膜２２Ｃ１とＣｕ膜２２Ｃ２は、融合して単一のＣｕ膜を形成する。またその際の熱熱処理により、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層２２Ｍ中のＭｎ原子は、前記バリアメタル膜２２Ｂ中に移動する。これに伴い、前記Ｃｕ配線パターン２２Ｃ中においては当初のＣｕ−Ｍｎ合金層２２Ｍは消滅するが、当初のＣｕ−Ｍｎ合金層２２Ｍの表面に対応する位置に、Ｍｎ酸化物の薄い層が、図１７Ｆに破線２２Ｏｘで示すように、前記バリアメタル膜２２Ｂの表面から、当初のＣｕ−Ｍｎ合金層２２Ｍの膜厚に対応する距離だけ離間して形成される。その結果、前記Ｃｕ配線パターン２２Ｃは、当初のＣｕ−Ｍｎ合金層２２Ｍが存在していた領域２２ｃ１と、当初のＣｕ層２２Ｃ１，２２Ｃ２が存在していた領域２２ｃ２とより構成される。
【００９９】
次に図１７Ｇに示すように、前記図１７Ｆの構造上に厚さが１００〜３００ｎｍの層間絶縁膜２４と、厚さが１０〜１００ｎｍのＳｉＣあるいはＳｉＮ膜よりなるエッチングストッパ膜２５と、厚さが１００〜３００ｎｍの層間絶縁膜２６とを、例えばプラズマＣＶＤ法により順次形成する。さらに前記層間絶縁膜２６中に、前記エッチングストッパ膜２５を露出する配線溝２６Ｔを、ドライエッチングプロセスにより、所望の幅で形成する。
かかる層間絶縁膜２４，２６としては、先に説明したＴＥＯＳを原料としたプラズマＣＶＤ法により形成されるシリコン酸化膜でも、またプラズマＣＶＤ法や塗布法により形成される、比誘電率が３以下の有機あるいは無機絶縁膜であってもよい。例えば前記層間絶縁膜２４，２６として、登録商標名ＳｉＬＫの有機ポリマ膜を使ったような場合でも、これらの膜にはエッチングによるダメージなどにより実質的な量の酸素（水分）が含まれている。
【０１００】
次に、図１７Ｈに示すように、前記配線溝２６Ｔ中に露出されたエッチングストッパ膜２５中に、所定のビアホールに対応した開口部２５Ｖを形成する。さらに図１７Ｉに示すように、前記エッチングストッパ膜２５をハードマスクに、前記層間絶縁膜２４中にビアホール２４Ｖを、前記エッチングストッパ膜２３が露出するように形成する。
【０１０１】
さらに図１７Ｊに示すように、前記ビアホール２４Ｖの底部において前記エッチングストッパ膜２３を除去してＣｕ配線パターン２２Ｃを露出させる。その後、図１７Ｋに示すように、前記層間絶縁膜２６上に、前記配線溝２６Ｔの側壁面および底面、および前記ビアホール２４Ｖの側壁面および底面を連続して覆うように、ＴａやＴｉよりなるバリアメタル膜２６Ｂが、前記配線溝２６Ｔおよびビアホール２４Ｖの断面形状に整合した形状で、スパッタ法あるいはＡＬＤ法により、約１〜１５ｎｍの膜厚に形成される。なお前記バリアメタル膜２６Ｂは、金属膜には限定されず、ＴａＮやＴｉＮなど、Ｔａ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｒｕから選択される一又は複数の金属元素を含む金属膜の他に、導電性金属窒化膜であってもよい。
【０１０２】
次に図１７Ｌに示すように、前記図１７Ｋの構造上にはＣｕ−Ｍｎ合金層２６Ｍが前記バリアメタル膜２６Ｂを、前記配線溝２６Ｔおよびビアホール２６Ｖの断面形状に整合した形状で覆うように、スパッタ法により、約１〜１５ｎｍの膜厚に形成される。
【０１０３】
さらに図１７Ｍに示すように、前記図１７Ｌの構造上にはＣｕ層２６Ｃ１が前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層２６Ｍを覆うように、前記配線溝２６Ｔおよびビアホール２４Ｖの断面形状に整合した形状で、スパッタ法あるいはＣＶＤ法により、２５〜６５ｎｍの膜厚に形成される。前記図１７Ｍの構造上に、図１７Ｎに示すように、Ｃｕ層２６Ｃ２が、前記Ｃｕ層２６Ｃ１をメッキシード層とした電解メッキ法により、前記配線溝２６Ｔおよびビアホール２４Ｖを充填するように形成される。
【０１０４】
さらに図１７Ｏに示すように、前記層間絶縁膜２６上の前記Ｃｕ層２６Ｃ１，２６Ｃ２、Ｃｕ−Ｍｎ合金層、バリアメタル膜２６Ｂが、前記層間絶縁膜２６の表面が露出するまで、ＣＭＰにより研磨・除去される。また図１７Ｐに示すように、前記図１７Ｏの構造上にＳｉＮ膜あるいはＳｉＣ膜よりなるキャップ層２７が、典型的には４００℃の基板温度で実行されるプラズマＣＶＤ法により形成される。
【０１０５】
このようなキャップ層２７の形成に伴う熱により、前記配線溝２６Ｔおよびビアホール２４Ｖ中において、前記Ｃｕ層２６Ｃ１およびＣｕ層２６Ｃ２は融合し、単一のＣｕ配線パターン２６Ｃあるいはこれから連続的に延出するＣｕビアプラグ２６Ｖを形成する。
【０１０６】
また、このようなキャップ層２７の形成に伴う熱により、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層２６Ｍ中のＭｎ原子は、前記バリアメタル膜２６Ｂに移動し、前記層間絶縁膜２４，２６およびエッチングストッパ膜２３，２５からの酸素により、Ｍｎ酸化物の形で、前記バリアメタル膜２６Ｂ中、あるいは前記バリアメタル膜２６ＢとＣｕ配線パターン２６ＣあるいはＣｕビアプラグ２６Ｖとの界面、あるいは前記バリアメタル膜２６Ｂと層間絶縁膜２４あるいは２６の界面、あるいは前記バリアメタル膜２６Ｂとエッチングストッパ膜２３あるいは２５との界面に、安定に析出する。
【０１０７】
また、前記バリアメタル膜２６Ｂに欠陥が存在するような場合には、かかる欠陥が、このようにして析出したＭｎ酸化物により、自己修復される。
【０１０８】
さらに、このように前記Ｃｕ−Ｍｎ金属層２６Ｍ中のＭｎ原子が前記バリアメタル膜２６Ｂに移動するのに伴い、前記Ｃｕ−Ｍｎ金属層２６Ｍの当初の表面に対応する位置には、先に説明した図１７Ｌの工程において前記Ｃｕ−Ｍｎ金属層２６Ｍの表面に形成された酸化層に対応するＭｎ酸化層２６Ｏｘが、前記バリアメタル膜２６Ｂの表面から、当初のＣｕ−Ｍｎ合金層２６Ｍの膜厚に対応する距離だけ離間して、形成されている。
その結果、図１７Ｐに示すように、前記Ｃｕ配線パターン２６Ｃは、当初のＣｕ−Ｍｎ合金層２６Ｍが存在していた領域２６ｃ１に形成されたＣｕ層と、当初のＣｕ層２６Ｃ１，２６Ｃ２が存在していた領域２６ｃ２に形成されたＣｕ層とより構成される。
【０１０９】
トランジスタとタングステンプラグが形成されたシリコン基板などの半導体基板上において、このような工程を繰り返すことにより、本発明では図１８に示す半導体装置４０を製造することが可能となる。
【０１１０】
図１８を参照するに、シリコン基板４１上には素子分離構造４１Ｉにより素子領域４１Ａが画成されており、前記素子領域４１Ａにおいては前記シリコン基板４１上に、それぞれゲート絶縁膜４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃを介して、ゲート電極４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃが形成されている。
【０１１１】
また前記素子領域４１Ａにおいては前記シリコン基板４１中、前記ゲート電極４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃに隣接して、ｐ型あるいはｎ型の拡散領域４１ａ，４１ｂ，４１ｃが形成されている。
【０１１２】
前記ゲート電極４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃは、それぞれＳｉＯＮなどの絶縁膜４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃにより覆われる。さらに前記シリコン基板４１上には、前記ゲート電極４３Ａ〜４３Ｃを、前記絶縁膜４４Ａ〜４４Ｃをそれぞれ介して覆うように、シリコン酸化膜などよりなる絶縁膜４４が形成されている。また、前記絶縁膜４４には前記拡散領域４１ｂを露出するビアホールＶ１，前記拡散領域４１ｃを露出するビアホール４４Ｖ２が形成されている。これらビアホール４４Ｖ１，４４Ｖ２の側壁面および底面は、例えばＴｉＮよりなるバリアメタル膜４６Ｂ１により連続的に覆われており、さらに前記ビアホールＶ１，Ｖ２は、タングステン４６Ｖ１，６４Ｖ２により、それぞれ充填されている。
【０１１３】
前記絶縁膜４４上には、ＳｉＮあるいはＳｉＣよりなるエッチングストッパ膜４５を介して、多孔質膜を含む無機あるいは有機絶縁膜よりなる層間絶縁膜４６が形成される。前記層間絶縁膜４６中には、配線溝４６Ｔ１および４６Ｔ２が、所定の配線パターンに沿って形成されている。
【０１１４】
前記配線溝４６Ｔ１の側壁面および底面は、連続してＴａやＴｉ、ＺｒやＲｕなどの高融点金属元素を少なくとも一つ含むバリアメタル膜４６Ｂ１により連続的に覆われている。前記配線溝４６Ｔ１は、前記バリアメタル膜４６Ｂ１を介して、Ｃｕ配線パターン４６Ｃ１により充填されている。
【０１１５】
同様に、前記配線溝４６Ｔ２の側壁面および底面は、連続してＴａやＴｉ、ＺｒやＲｕなどの高融点金属元素を少なくとも一つ含むバリアメタル膜４６Ｂ２により連続的に覆われている。前記配線溝４６Ｔ２は、前記バリアメタル膜４６Ｂ２を介して、Ｃｕ配線パターン４６Ｃ２により充填されている。
【０１１６】
前記層間絶縁膜４６上には、ＳｉＮあるいはＳｉＣよりなるエッチングストッパ膜４７を介して、多孔質膜を含む無機あるいは有機絶縁膜よりなる層間絶縁膜４８が形成される。前記層間絶縁膜４８上には、ＳｉＮあるいはＳｉＣよりなるエッチングストッパ膜４９を介して、多孔質膜を含む無機あるいは有機絶縁膜よりなる層間絶縁膜５０が形成されている。
【０１１７】
前記層間絶縁膜５０中には、配線溝５０Ｔ１，５０Ｔ２および５０Ｔ３が、所定の配線パターンに沿って形成されている。さらに前記絶縁膜４８には前記配線溝５０Ｔ１に対応して、前記エッチングストッパ膜４９を貫通して、前記Ｃｕ配線パターン４６Ｃ１を露出するビアホール４８Ｖ１が形成される。また前記絶縁膜４８には前記配線溝５０Ｔ２に対応して、前記エッチングストッパ膜４９を貫通して、前記Ｃｕ配線パターン４６Ｃ１を露出するビアホール４８Ｖ２が形成されている。また前記絶縁膜４８中には前記配線溝５０Ｔ３に対応して、前記エッチングストッパ膜４９を貫通して、前記Ｃｕ配線パターン４６Ｃ２を露出するビアホール４８Ｖ３が形成されている。
【０１１８】
前記配線溝５０Ｔ１およびビアホール４８Ｖ１の側壁面および底面は、連続してＴａやＴｉ、ＺｒやＲｕなどの高融点金属元素を少なくとも一つ含むバリアメタル膜５０Ｂ１により連続的に覆われている。前記配線溝５０Ｔ１およびビアホール４８Ｖ１は、前記バリアメタル膜５０Ｂ１を介して、Ｃｕ配線パターン５０Ｃ１およびこれに連続するＣｕビアプラグ５０Ｖ１により充填されている。
【０１１９】
同様に、前記配線溝５０Ｔ２およびビアホール４８Ｖ２の側壁面および底面は、連続してＴａやＴｉ、ＺｒやＲｕなどの高融点金属元素を少なくとも一つ含むバリアメタル膜５０Ｂ２により連続的に覆われている。前記配線溝５０Ｔ２およびビアホール４８Ｖ２は、前記バリアメタル膜５０Ｂ２を介して、Ｃｕ配線パターン５０Ｃ２およびこれに連続するＣｕビアプラグ５０Ｖ２により充填されている。
【０１２０】
同様に、前記配線溝５０３およびビアホール４８Ｖ３の側壁面および底面は、ＴａやＴｉ、ＺｒやＲｕなどの高融点金属元素を少なくとも一つ含むバリアメタル膜５０Ｂ３により連続的に覆われている。前記配線溝５０Ｔ３およびビアホール４８Ｖ３は、前記バリアメタル膜５０Ｂ３を介して、Ｃｕ配線パターン５０Ｃ３およびこれに連続するＣｕビアプラグ５０Ｖ３により充填されている。
【０１２１】
前記層間絶縁膜５０上には、ＳｉＮあるいはＳｉＣよりなるエッチングストッパ膜５１を介して、多孔質膜を含む無機あるいは有機絶縁膜よりなる層間絶縁膜５２が形成される。
前記層間絶縁膜５２上には、ＳｉＮあるいはＳｉＣよりなるエッチングストッパ膜５３を介して、多孔質膜を含む無機あるいは有機絶縁膜よりなる層間絶縁膜５４が形成されている。
【０１２２】
前記層間絶縁膜５４中には、配線溝５４Ｔ１および５４Ｔ２が、所定の配線パターンに沿って形成されている。さらに前記絶縁膜５２には前記配線溝５４Ｔ１に対応して、前記エッチングストッパ膜５３を貫通して、前記Ｃｕ配線パターン５０Ｃ２を露出するビアホール５２Ｖ１が形成されている。また前記絶縁膜５２には前記配線溝５４Ｔ２に対応して、前記エッチングストッパ膜５３を貫通して、前記Ｃｕ配線パターン５０Ｃ３を露出するビアホール５２Ｖ２が形成されている。
【０１２３】
前記配線溝５４Ｔ１およびビアホール５２Ｖ１の側壁面および底面は、連続してＴａやＴｉ、ＺｒやＲｕなどの高融点金属元素を少なくとも一つ含むバリアメタル膜５４Ｂ１により連続的に覆われている。前記配線溝５４Ｔ１およびビアホール５２Ｖ１は、前記バリアメタル膜５４Ｂ１を介して、Ｃｕ配線パターン５４Ｃ１およびこれに連続するＣｕビアプラグ５４Ｖ１により充填されている。
【０１２４】
同様に、前記配線溝５４Ｔ２およびビアホール５２Ｖ２の側壁面および底面は、連続してＴａやＴｉ、ＺｒやＲｕなどの高融点金属元素を少なくとも一つ含むバリアメタル膜５４Ｂ２により連続的に覆われている。前記配線溝５４Ｔ２およびビアホール５２Ｖ２は、前記バリアメタル膜５４Ｂ２を介して、Ｃｕ配線パターン５４Ｃ２およびこれに連続するＣｕビアプラグ５４Ｖ２により充填されている。
【０１２５】
前記層間絶縁膜５４上には、ＳｉＮあるいはＳｉＣよりなるエッチングストッパ膜５５を介して、多孔質膜を含む無機あるいは有機絶縁膜よりなる層間絶縁膜５６が形成されている。前記層間絶縁膜５６上には、ＳｉＮあるいはＳｉＣよりなるエッチングストッパ膜５７を介して、多孔質膜を含む無機あるいは有機絶縁膜よりなる層間絶縁膜５８が形成されている。
【０１２６】
前記層間絶縁膜５８中には、配線溝５８Ｔ１および５８Ｔ２が、所定の配線パターンに沿って形成されている。さらに前記絶縁膜５６には前記配線溝５８Ｔ１に対応して、前記エッチングストッパ膜５７を貫通して、前記Ｃｕ配線パターン５４Ｃ１を露出するビアホール５６Ｖ１が形成されている。また前記絶縁膜５６には前記配線溝５８Ｔ２に対応して、前記エッチングストッパ膜５７を貫通して、前記Ｃｕ配線パターン５４Ｃ１を露出するビアホール５６Ｖ２が形成されている。同様に、前記絶縁膜５６には前記配線溝５８Ｔ３に対応して、前記エッチングストッパ膜５７を貫通して、前記Ｃｕ配線パターン５４Ｃ２を露出するビアホール５６Ｖ３が形成されている。
【０１２７】
前記配線溝５８Ｔ１およびビアホール５６Ｖ１の側壁面および底面は、連続してＴａやＴｉ、ＺｒやＲｕなどの高融点金属元素を少なくとも一つ含むバリアメタル膜５８Ｂ１により連続的に覆われている。前記配線溝５８Ｔ１およびビアホール５６Ｖ１は、前記バリアメタル膜５８Ｂ１を介して、Ｃｕ配線パターン５８Ｃ１およびこれに連続するＣｕビアプラグ５８Ｖ１により充填されている。
【０１２８】
同様に、前記配線溝５４Ｔ２およびビアホール５２Ｖ２の側壁面および底面は、連続してＴａやＴｉ、ＺｒやＲｕなどの高融点金属元素を少なくとも一つ含むバリアメタル膜５４Ｂ２により連続的に覆われている。前記配線溝５４Ｔ２およびビアホール５２Ｖ２は、前記バリアメタル膜５４Ｂ２を介して、Ｃｕ配線パターン５４Ｃ２および５４Ｖ２により充填されている。
【０１２９】
さらに前記層間絶縁膜５８上には、ＳｉＮあるいはＳｉＣよりなるエッチングストッパ膜５９を介して、多孔質膜を含む無機あるいは有機絶縁膜よりなる層間絶縁膜６０が形成されている。前記層間絶縁膜６０上には、ＳｉＮあるいはＳｉＣよりなるエッチングストッパ膜６１を介して、ＳｉＯ2などの別の層間絶縁膜６２が形成されている。
【０１３０】
前記別の層間絶縁膜６２中には、配線溝６２Ｔが、所定の配線パターンに沿って形成されている。さらに前記層間絶縁膜６０には前記配線溝６２Ｔに対応して、前記エッチングストッパ膜５９を貫通して、前記Ｃｕ配線パターン５８Ｃ３を露出するビアホール６０Ｖ１が形成される。
【０１３１】
前記配線溝６２Ｔおよびビアホール６０Ｖ１の側壁面および底面は、連続してＴａやＴｉ、ＺｒやＲｕなどの高融点金属元素を少なくとも一つ含むバリアメタル膜６８Ｂにより連続的に覆われている。前記配線溝６２Ｔおよびビアホール６１Ｖ１は、前記バリアメタル膜６２Ｂを介して、ＡｌやＣｕよりなる配線パターン６２Ｃおよびこれに連続するＣｕあるいはＡｌよりなるビアプラグ６２Ｖにより充填されている。
【０１３２】
さらに前記別の層間絶縁膜６２上には、前記配線パターン６２Ｃを覆うように、ＳｉＮなどよりなるキャップ膜６３が、プラズマＣＶＤ法などにより、形成されている。
【０１３３】
図１８の半導体装置４０では、前記Ｃｕ配線パターン４６Ｃ１〜４６Ｃ２，５０Ｃ１〜５０Ｃ３，５４Ｃ１〜５４Ｃ２，５８Ｃ１〜５８Ｃ３・・・などの形成の際に、それぞれのバリアメタル膜に隣接して、先に説明したＣｕ−Ｍｎ合金層２２Ｍあるいは２６Ｍに相当するＣｕ−Ｍｎ合金層を、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層中のＭｎ原子が実質的に全て、前記隣接するバリアメタル膜に移ることが可能な膜厚および／または濃度で形成している。
このため、前記キャップ膜６３の形成の際に、前記Ｍｎ原子は実質的に全て、前記隣接するバリアメタル膜に移動し、当初のＣｕ−Ｍｎ合金層の表面に相当する部分にのみ、Ｍｎ酸化物の薄い層４６Ｏｘ１〜４６Ｏｘ２，５０Ｏｘ１〜５０Ｏｘ３，５４Ｏｘ１〜５４Ｏｘ２，５８Ｏｘ１〜５８Ｏｘ３が、図１８中に破線で示すように残留する特徴的な断面構造が得られる。
【０１３４】
このような多層配線構造を有する半導体装置４０では、先に図１４で説明したように、高いＭｎ濃度のＣｕ−Ｍｇ合金層を設けたことにより、ストレスマイグレーション耐性が大きく向上し、しかもＭｎによる配線抵抗の増大を抑制することができる。
【０１３５】
なお、本実施形態において、前記図１７Ｍの工程で、前記配線溝２６Ｔおよびビアホール２４Ｖを、単一あるいは複数回に分けた、例えばＭＯＣＶＤ法によるＣｕ層の堆積により実行することも可能である。この場合は、前記配線溝２６Ｔおよびビアホール２４Ｖは、ＭＯＣＶＤ法により堆積したＣｕ層により充填され、図１７Ｎの電解メッキ工程を省略できる。
【０１３６】
また本実施形態において、前記図１７Ｂあるいは図１７ＬのＣｕ−Ｍｎ合金層２２Ｍあるいは２６Ｍの形成工程において、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層２２Ｍあるいは２６Ｍの膜厚を１ｎｍ以上、４．５ｎｍ以下としておくと、先に説明した図１０Ｂの関係より、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層２２Ｍあるいは２６Ｍに対し、Ｍｎを、０．２原子％から１００原子％までの濃度で含むＣｕ−Ｍｎ合金膜あるいはＭｎ膜を使うことが可能であることがわかる。
【０１３７】
また本実施形態では、前記図１７Ｃに示される配線溝２２Ｔ内のＣｕ膜２２Ｃ１、さらには前記図１７Ｍに示される配線溝２６Ｔおよびビアホール２４Ｖ中におけるＣｕ層２６Ｃ１がスパッタリング法で形成され、前記配線溝２２Ｔ、配線溝２６Ｔ、ビアホール２４Ｖを電解メッキ法で充填した後、８０℃〜１２０℃の熱処理が施される。
【０１３８】
同様に、図１８の半導体装置４０でも、前記Ｃｕ配線パターン４６Ｃ１〜４６Ｃ２，５０Ｃ１〜５０Ｃ３，５４Ｃ１〜５４Ｃ２，５８Ｃ１〜５８Ｃ３・・・などの形成の際に、先に説明したＣｕ層Ｃｕ膜２２Ｃ１あるいはＣｕ層２６Ｃ１に相当するＣｕ層をスパッタリング法で形成し、さらには電解メッキ法を用いてＣｕ層を充填する場合にも同様な熱処理を施す。
［第２の実施形態］
図１９Ａ〜図１９Ｐは、本発明の第１の実施形態による、デュアルダマシン法を使った多層配線構造の形成工程を示す図である。
【０１３９】
図１９Ａを参照するに、図示していないトランジスタとタングステンプラグが形成された半導体基板８１上に形成された絶縁膜８２には、所定の配線パターンに対応した配線溝８２Ｔが形成される。
さらに前記絶縁膜８２上には前記配線溝８２Ｔの側壁面および底面を覆って、ＴａやＴｉ、あるいはＺｒ，Ｒｕなどの高融点金属元素を少なくとも一つ含むバリアメタル膜８２Ｂが、スパッタ法あるいはＡＬＤ（atomic layer deposition）法などにより、前記配線溝８２Ｔの断面形状に整合した形状で、１〜１５ｎｍの膜厚に形成される。なお前記バリアメタル膜８２Ｂは、金属膜には限定されず、ＴａＮやＴｉＮなど、Ｔａ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｒｕから選択される一又は複数の金属元素を含む金属膜の他に、導電性金属窒化膜であってもよい。
【０１４０】
次に、図１９Ｂに示すように、前記図１９Ａに示したバリアメタル膜８２Ｂ上に、Ｍｎを含むＣｕ−Ｍｎ合金膜２２Ｍが、前記配線溝２２Ｔの断面形状に整合した形状で、例えばＣｕ−Ｍｎ合金ターゲットを使ったスパッタ法により、１０−１ＰａのＡｒ雰囲気中、室温以下の基板温度で、１０ｋＷのプラズマパワーを投入して、任意の、例えば３０ｎｍの厚さに形成される。
【０１４１】
図１９Ｂの工程ではさらに、このようにして形成された前記Ｃｕ−Ｍｎ合金膜８２Ｍ中のＭｎ濃度が約３０原子％以下、例えば０．２原子％から３０原子％の間である場合には、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金膜８２Ｍは、平坦面上において約１５ｎｍ以下の、例えば０〜１５ｎｍの範囲の膜厚を有するように、例えばＡｒイオンエッチングなどのエッチング処理により、膜厚が調整される。
【０１４２】
また前記Ｃｕ−Ｍｎ合金膜８２Ｍ中のＭｎ濃度が３０原子％を超える場合には、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金膜８２Ｍは、平坦面上における膜厚が、ｘを前記Ｃｕ−Ｍｎ合金膜８２Ｍ中のＭｎの原子濃度であるとして、式ｙ＝４６５／ｘで与えられる膜厚ｙ以下になるように同様なエッチング処理により、膜厚を調整される。
【０１４３】
次に、図１９Ｃに示すように、前記図１９Ｂの構造上にＣｕ膜８２Ｃ１がメッキシード層として、例えばスパッタ法やＣＶＤ法により、前記配線溝８２Ｔの断面形状に整合した形状で、約４０〜８０ｎｍの膜厚に形成される。
【０１４４】
次に図１９Ｄに示すように、前記図１９Ｃの構造上に前記Ｃｕ膜８２Ｃ１をメッキシード層としてＣｕ層８２Ｃ２が、前記配線溝８２Ｔを充填するように形成される。さらに図１９Ｅに示すように、前記図１９Ｄの構造がＣＭＰ法により、前記絶縁膜８２の表面が露出するまで研磨される。その結果、前記配線溝８２ＴがＣｕ配線パターン８２Ｃにより充填された構造が得られる。
【０１４５】
さらに図１９Ｅの構造上に、図１９Ｆに示すように、ＳｉＮあるいはＳｉＣよりなるエッチングストッパ膜８３を、前記Ｃｕ配線パターン８２Ｃを覆うように、１０〜１００ｎｍの膜厚に形成する。このようなエッチングストッパ膜８３の成膜は、典型的には４００℃の温度で実行される。その結果、前記Ｃｕ配線パターン８２Ｃを構成する前記Ｃｕ膜８２Ｃ１とＣｕ膜８２Ｃ２は、融合して単一のＣｕ膜を形成する。またその際の熱熱処理により、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層８２Ｍ中のＭｎ原子は、前記バリアメタル膜８２Ｂ中に移動する。これに伴い、前記Ｃｕ配線パターン８２Ｃ中においては当初のＣｕ−Ｍｎ合金層８２Ｍは消滅する。しかし、当初のＣｕ−Ｍｎ合金層８２Ｍの表面に対応する位置に、Ｍｎ酸化物の薄い層が、図１７Ｆに破線８２Ｏｘで示すように、前記バリアメタル膜８２Ｂの表面から、当初のＣｕ−Ｍｎ合金層８２Ｍの膜厚に対応する距離だけ離間して形成される。
その結果、前記Ｃｕ配線パターン８２Ｃは、当初のＣｕ−Ｍｎ合金層８２Ｍが存在していた領域８２ｃ１と、当初のＣｕ層８２Ｃ１，８２Ｃ２が存在していた領域８２ｃ２とより構成される。
【０１４６】
次に図１９Ｇに示すように、前記図１９Ｆの構造上に厚さが１００〜３００ｎｍの層間絶縁膜８４と、厚さが１０〜１００ｎｍのＳｉＣあるいはＳｉＮ膜よりなるエッチングストッパ膜８５と、厚さが１０〜１００ｎｍの層間絶縁膜８６とを、例えばプラズマＣＶＤ法により順次形成する。さらに前記層間絶縁膜８６中に、前記エッチングストッパ膜８５を露出する配線溝８６Ｔを、ドライエッチングプロセスにより、所望の幅で形成する。かかる層間絶縁膜８４，８６としては、先に説明したＴＥＯＳを原料としたプラズマＣＶＤ法により形成されるシリコン酸化膜でも、またプラズマＣＶＤ法や塗布法により形成される、比誘電率が３以下の有機あるいは無機絶縁膜であってもよい。例えば前記層間絶縁膜８４，８６として、登録商標名ＳｉＬＫの有機ポリマ膜を使ったような場合でも、エッチングのダメージなどによりこれらの膜には実質的な量の酸素（水分）が含まれている。
【０１４７】
次に、図１９Ｈに示すように、前記配線溝８６Ｔ中に露出されたエッチングストッパ膜８５中に、所定のビアホールに対応した開口部８５Ｖを形成する。さらに図１９Ｉに示すように、前記エッチングストッパ膜８５をハードマスクに、前記層間絶縁膜８４中にビアホール８４Ｖを、前記エッチングストッパ膜８３が露出するように形成する。
【０１４８】
さらに図１９Ｊに示すように、前記ビアホール８４Ｖの底部において前記エッチングストッパ膜８３を除去してＣｕ配線パターン８２Ｃを露出する。その後、図１９Ｋに示すように、前記層間絶縁膜８６上に、前記配線溝８６Ｔの側壁面および底面、および前記ビアホール８４Ｖの側壁面および底面を連続して覆うように、ＴａやＴｉよりなるバリアメタル膜８６Ｂが、前記配線溝８６Ｔおよびビアホール８４Ｖの断面形状に整合した形状で、スパッタ法あるいはＡＬＤ法により、１〜１５ｎｍの膜厚に形成される。なお前記バリアメタル膜８６Ｂは、金属膜には限定されず、ＴａＮやＴｉＮなど、Ｔａ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｒｕから選択される一又は複数の金属元素を含む金属膜の他に、導電性金属窒化膜であってもよい。
【０１４９】
次に図１９Ｌに示すように、前記図１９Ｋの構造上にはＣｕ−Ｍｎ合金層８６Ｍが前記バリアメタル膜８６Ｂを、前記配線溝８６Ｔおよびビアホール８６Ｖの断面形状に整合した形状で覆うように、スパッタ法により、１〜１５ｎｍの膜厚に形成される。
【０１５０】
さらに図１９Ｍに示すように、前記図１９Ｌの構造上にはＣｕ層８６Ｃ１が前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層８６Ｍを覆うように、前記配線溝８６Ｔおよびビアホール８４Ｖの断面形状に整合した形状で、スパッタ法あるいはＣＶＤ法により、２５〜６５ｎｍの膜厚に形成される。さらに前記図１９Ｍの構造上に、図１９Ｎに示すように、Ｃｕ層８６Ｃ２が、前記Ｃｕ層８６Ｃ１をメッキシード層とした電解メッキ法により、前記配線溝８６Ｔおよびビアホール８４Ｖを充填するように形成される。
【０１５１】
さらに図１９Ｏに示すように、前記層間絶縁膜８６上の前記Ｃｕ層８６Ｃ１，８６Ｃ２、Ｃｕ−Ｍｎ合金層８６Ｍ、バリアメタル膜８６Ｂが、前記層間絶縁膜８６の表面が露出するまで、ＣＭＰにより研磨・除去される。さらに図１９Ｐに示すように、前記図１９Ｏの構造上にＳｉＮ膜あるいはＳｉＣ膜よりなるキャップ層８７が、典型的には４００℃の基板温度で実行されるプラズマＣＶＤ法により形成される。
【０１５２】
このようなキャップ層８７の形成に伴う熱により、前記配線溝８６Ｔおよびビアホール８４Ｖ中において、前記Ｃｕ層８６Ｃ１およびＣｕ層８６Ｃ２は融合し、単一のＣｕ配線パターン８６Ｃあるいはこれから連続的に延出するＣｕビアプラグ８６Ｖを形成する。
【０１５３】
また、このようなキャップ層８７の形成に伴う熱により、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層８６Ｍ中のＭｎ原子は、前記バリアメタル膜８６Ｂに移動する。このようにして移動したＭｎ原子は、前記層間絶縁膜８４，８６およびエッチングストッパ膜８３，８５からの酸素により、Ｍｎ酸化物の形で、前記バリアメタル膜８６Ｂ中、あるいは前記バリアメタル膜８６ＢとＣｕ配線パターン８６ＣあるいはＣｕビアプラグ８６Ｖとの界面、あるいは前記バリアメタル膜８６Ｂと層間絶縁膜８４あるいは８６の界面、あるいは前記バリアメタル膜８６Ｂとエッチングストッパ膜８３あるいは８５との界面に、安定に析出する。
【０１５４】
また、前記バリアメタル膜８６Ｂに欠陥が存在するような場合には、かかる欠陥が、このようにして析出したＭｎ酸化物により、自己修復される。
【０１５５】
さらに、このように前記Ｃｕ−Ｍｎ金属層８６Ｍ中のＭｎ原子が前記バリアメタル膜２６Ｂに移動するのに伴い、前記Ｃｕ−Ｍｎ金属層８６Ｍの当初の表面に対応する位置には、先に説明した図１９Ｌの工程において前記Ｃｕ−Ｍｎ金属層８６Ｍの表面に形成された酸化層に対応するＭｎ酸化層２６Ｏｘが、前記バリアメタル膜８６Ｂの表面から、当初のＣｕ−Ｍｎ合金層８６Ｍの膜厚に対応する距離だけ離間して、形成されている。その結果、図１９Ｐに示すように、前記Ｃｕ配線パターン８６Ｃは、当初のＣｕ−Ｍｎ合金層８６Ｍが存在していた領域８６ｃ１に形成されたＣｕ層と、当初のＣｕ層８６Ｃ１，８６Ｃ２が存在していた領域８６ｃ２に形成されたＣｕ層とより構成される。
【０１５６】
トランジスタが形成されたシリコン基板などの半導体基板上において、このような工程を繰り返すことにより、本実施形態においても、先に図１８で説明した半導体装置４０を製造することが可能となる。
【０１５７】
なお、本実施形態において、前記図１９Ｍの工程で、前記配線溝８６Ｔおよびビアホール８４Ｖを、単一あるいは複数回に分けた、例えばＭＯＣＶＤ法によるＣｕ層の堆積により実行することも可能である。この場合は、前記配線溝８６Ｔおよびビアホール８４Ｖは、ＭＯＣＶＤ法により堆積したＣｕ層により充填され、図１９Ｎの電解メッキ工程を省略できる。
【０１５８】
また本実施形態において、前記図１９Ｂあるいは図１９ＬのＣｕ−Ｍｎ合金層８２Ｍあるいは８６Ｍの形成工程において、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層８２Ｍあるいは８６Ｍの膜厚を１ｎｍ以上、４．５ｎｍ以下としておくと、先に説明した図１０Ｂの関係より、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層８２Ｍあるいは８６Ｍに対し、Ｍｎを、０．２原子％から１００原子％までの濃度で含むＣｕ−Ｍｎ合金膜あるいはＭｎ膜を使うことが可能であることがわかる。
【０１５９】
なお本実施形態において、図１９Ｂのエッチング工程を、図２０Ａに示すように前記配線溝８２Ｔ底のバリアメタル８２Ｂが露出するまで実行することも可能である。
【０１６０】
この場合には、Ｃｕ−Ｍｎ合金層８２Ｍが前記配線溝８２Ｔの底から除去され、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層８２Ｍは、膜中のＭｎ濃度が０．２原子％以上、３０原子％以下である場合、前記配線溝８２Ｔの側壁面にのみ、前記１〜１５ｎｍの膜厚で形成される。
また前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層８２Ｂ中のＭｎ濃度が３０原子％を超える場合には、前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層８２Ｍは、前記側壁面における膜厚が、先の図１０Ｂの関係で規定される膜厚以下となるように、例えば１ｎｍ以上、４．５ｎｍ以下の範囲の膜厚に形成される。
【０１６１】
このため、図１９Ｆの熱処理を行った場合、当初のＣｕ−Ｍｎ合金層８２Ｍの存在の痕跡を示すＭｎ酸化物層８２Ｏｘは、前記配線溝８２Ｔの側壁面に沿って、前記バリアメタル膜８２Ｂから前記Ｃｕ−Ｍｎ合金層８２Ｍの膜厚に対応する距離だけ離間して形成される。本発明は、このような構造をも含む。
【０１６２】
また、本実施形態において、前記図１９Ｃに示される配線溝８２Ｔ内のシードＣｕ膜８２Ｃ１、および前記図１９Ｍに示される配線溝８６Ｔおよびビアホール８４ＶのＣｕ層８６Ｃ１がスパッタリング法で形成され、さらには、前記配線溝８２Ｔ、配線溝８６Ｔ、ビアホール８４Ｖを電解メッキ法で充填する場合には、メッキ後に引き続き８０℃〜１２０℃の熱処理を行う。
【０１６３】
以上、本発明を好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
（付記１）
半導体基板と、
前記半導体基板上方に形成された酸素を含む絶縁膜と、
前記絶縁膜に形成された凹部と、
前記凹部の内壁に形成された銅を含む第１の膜と、
前記第１の膜上方であって、前記凹部に埋め込まれた銅を含む第２の膜と、
前記第１の膜と前記第２の膜の間にマンガンを含む酸化層を有する半導体装置。
（付記２）
前記絶縁膜と前記第１の膜の間に拡散防止膜を有する付記１記載の半導体装置。
（付記３）
前記拡散防止膜が、Ｔａ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｒｕから選択される少なくとも一の元素を含むことを特徴とする付記２記載の半導体装置。
（付記４）
前記拡散防止膜が、マンガンを含むことを特徴とする付記２または３記載の半導体装置。
（付記５）
前記第１の膜の膜厚が１ｎｍ〜１５ｎｍの範囲であることを特徴とする付記１または２記載の半導体装置。
（付記６）
半導体基板上に少なくともゲート電極とソース・ドレイン領域を有するトランジスタを形成する工程と、
前記半導体基板上方に酸素を含む絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の内壁に銅とマンガンを含む金属膜を所定の膜厚に成膜する工程と、
前記金属膜上方であって、前記凹部を埋める銅を含む膜を形成する工程と、
前記銅を含む膜の形成後に熱処理をする工程と、を有することを特徴とする半導体装置
の製造方法。
（付記７）
前記絶縁膜と前記金属膜の間に拡散防止膜を形成する工程を含む付記６記載の半導体装置の製造方法。
（付記８）
前記金属膜のＭｎ濃度が、０．２原子％〜３０原子％であり、かつ、膜厚が１ｎｍ〜１５ｎｍの範囲であることを特徴とする付記６または７記載の半導体装置の製造方法。
（付記９）
前記金属膜のＭｎ濃度が、０．２原子％〜１００原子％、かつ、膜厚が１ｎｍ〜４．５ｎｍであることを特徴とする付記６または７記載の半導体装置の製造方法。
（付記１０）
前記拡散防止膜が、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｒｕから選択された少なくとも一元素を含む高融点金属膜であることを特徴とする付記６乃至９のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
（付記１１）
前記金属膜を成膜後、エッチングにより所定の膜厚にする工程を含むことを特徴とする付記６記載の半導体装置の製造方法。
（付記１２）
前記金属膜を成膜後、エッチングにより凹部側壁内面を所定の膜厚にする工程を含む付記６記載の半導体装置の製造方法。
（付記１３）
前記金属膜上に銅を含むシード膜を形成することを特徴とする付記６乃至１３のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
（付記１４）
前記金属膜はスパッタリング法により成膜することを特徴とする付記６乃至１３のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
（付記１５）
前記凹部を埋める銅を含む膜の形成工程は、前記凹部を埋めて前記銅を含む膜を電解メッキ法により形成する工程と、前記銅を含む膜の電解メッキ法による形成後に熱処理を、８０〜１２０℃の温度で実行する工程とを特徴とする、請求項５〜９のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
（付記１６）
半導体基板上にゲート電極とソース・ドレイン領域を有するトランジスタを形成する工程と、
前記半導体基板上方に酸素を含む絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の内壁に銅とマンガンを含む金属膜を成膜する工程と、
前記金属膜上方であって、前記凹部を埋める銅を含む膜を形成する工程と、
前記銅を含む膜の形成後に熱処理を行う工程と、
を有し、
前記金属膜の膜厚を、
前記金属膜中における原子％で表したＭｎ濃度ｘが、０原子％<ｘ<３０原子％の場合には、１５ｎｍ以下に設定し、また
前記Ｍｎ濃度ｘが３０原子％≦ｘ≦１００原子％の場合には、式ｙ＝４６５［原子%・ｎｍ］／ｘで与えられる膜厚ｙ［ｎｍ］以下に設定することを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記１７）
前記凹部を埋める銅を含む膜の形成工程は、前記凹部を埋めて前記銅を含む膜を電解メッキ法により形成する工程と、前記銅を含む膜の電解メッキ法による形成後に熱処理を、８０〜１２０℃の温度で実行する工程とを特徴とする、請求項５〜９のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
（付記１８）
前記熱処理工程は、６０〜２５０秒実行されることを特徴とする付記１５または１７記載の半導体装置の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【０１６４】
【図１Ａ】従来のバリアメタル構造におけるＣｕ−Ｍｎ合金層の効果を示す図である。
【図１Ｂ】本発明において使われた試験片の構造を示す図である。
【図１Ｃ】電解メッキ直後の銅配線を示す図である。
【図１Ｄ】電解メッキ直後に従来の熱処理を行った場合の現象を説明する図である。
【図２】本発明の原理を説明する図である。
【図３】本発明の原理を説明する別の図である。
【図４】本発明の原理を説明する別の図である。
【図５】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の原理を説明する別の図である。
【図６】本発明の原理を説明するさらに別の図である。
【図７】本発明の原理を説明するさらに別の図である。
【図８】本発明の原理を説明するさらに別の図である。
【図９】Ｃｕ−Ｍｎ系の相平衡図である。
【図１０Ａ】本発明の原理を説明する別の図である。
【図１０Ｂ】本発明の原理を説明する別の図である。
【図１１】本発明の原理を説明するさらに別の図である。
【図１２】本発明の原理を説明するさらに別の図である。
【図１３Ａ】本発明の原理を説明するさらに別の図である。
【図１３Ｂ】本発明の原理を説明するさらに別の図である。
【図１４】本発明の効果を説明する図である。
【図１５】本発明の効果を説明する別の図である。
【図１６】本発明の効果を説明する別の図である。
【図１７Ａ】本発明の第１の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その１）である。
【図１７Ｂ】本発明の第１の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その２）である。
【図１７Ｃ】本発明の第１の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その３）である。
【図１７Ｄ】本発明の第１の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その４）である。
【図１７Ｅ】本発明の第１の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その５）である。
【図１７Ｆ】本発明の第１の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その６）である。
【図１７Ｇ】本発明の第１の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その７）である。
【図１７Ｈ】本発明の第１の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その８）である。
【図１７Ｉ】本発明の第１の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その９）である。
【図１７Ｊ】本発明の第１の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その１０）である。
【図１７Ｋ】本発明の第１の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その１１）である。
【図１７Ｌ】本発明の第１の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その１２）である。
【図１７Ｍ】本発明の第１の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その１３）である。
【図１７Ｎ】本発明の第１の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その１４）である。
【図１７Ｏ】本発明の第１の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その１５）である。
【図１７Ｐ】本発明の第１の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その１６）である。
【図１８】第１の実施形態による半導体装置の構成を示す図である。
【図１９Ａ】本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その１）である。
【図１９Ｂ】本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その２）である。
【図１９Ｃ】本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その３）である。
【図１９Ｄ】本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その４）である。
【図１９Ｅ】本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その５）である。
【図１９Ｆ】本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その６）である。
【図１９Ｇ】本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その７）である。
【図１９Ｈ】本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その８）である。
【図１９Ｉ】本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その９）である。
【図１９Ｊ】本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その１０）である。
【図１９Ｋ】本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その１１）である。
【図１９Ｌ】本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その１２）である。
【図１９Ｍ】本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その１３）である。
【図１９Ｎ】本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その１４）である。
【図１９Ｏ】本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その１５）である。
【図１９Ｐ】本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程を示す図（その１６）である。
【図２０Ａ】本発明の第２の実施形態の変形例を示す図（その１）である。
【図２０Ｂ】本発明の第２の実施形態の変形例を示す図（その２）である。
【符号の説明】
【０１６５】
１１，２１，４１，８１  基板
１２，１４，１６，２２，２４，２６、８２，８４，８６  層間絶縁膜
１２Ｂ，１６Ｂ，２６Ｂ，８２Ｂ，８６Ｂ  バリアメタル膜
１２Ｃ，１６Ｃ，２２Ｃ，８２Ｃ  Ｃｕ配線パターン
１２Ｔ、１６Ｔ，２２Ｔ，２６Ｔ，８２Ｔ，８６Ｔ  配線溝
１３，１５，２３，２５、８３，８５  エッチングストッパ膜
１４Ｖ，２４Ｖ，８４Ｖ  ビアホール
１６ｃ１，１６ｃ，２２ｃ１，２２ｃ２，２６ｃ１，２６ｃ２，８２ｃ１，８２ｃ２  Ｃｕ領域
１２Ｍ，１６Ｍ，２２Ｍ，２６Ｍ，８２Ｍ，８６Ｍ  Ｃｕ−Ｍｎ合金層
１２Ｏｘ，１６Ｏｘ，２２Ｏｘ，２６Ｏｘ，８２Ｏｘ，８６Ｏｘ  酸化物層
１６Ｖ，２６Ｖ  Ｃｕビアプラグ
２６Ｃ１  Ｃｕシード層
２６Ｃ２  Ｃｕ電解メッキ層
２６ｃ１，２６ｃ２  Ｃｕ領域
２７，８７  キャップ層
４０  半導体装置
４１Ａ  素子領域
４１Ｉ  素子分離構造
４１ａ，４１ｂ，４１ｃ  拡散領域
４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ  ゲート絶縁膜
４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃ  ゲート電極
４４，４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ  絶縁膜
４４Ｖ１〜４４Ｖ２，４８Ｖ１〜４８Ｖ３，５６Ｖ１〜５６Ｖ２，６０Ｖ  ビアホール
４５，４７，４９，５１，５３，５７，５９，６１  エッチングストッパ膜
４６，４８，５０，５２，５４，５６，５８，６０  層間絶縁膜
４６Ｃ１〜４６Ｃ２，５０Ｃ１〜５０Ｃ３，５４Ｃ１〜５４Ｃ２，５８Ｃ１〜５８Ｃ３
Ｃｕ配線パターン
４６Ｔ１〜４６Ｔ２，５０Ｔ１〜５０Ｔ３，５４Ｔ１〜５４Ｔ２，５８Ｔ１〜５８Ｔ３，６２Ｔ  配線溝
４６Ｖ１〜４６Ｖ２  タングステンプラグ
４８Ｖ１〜４８Ｖ３，５４Ｖ１〜５４Ｖ２，５８Ｖ１〜５８Ｖ３，６２Ｖ  Ｃｕビアプラグ
４６Ｂ１〜４６Ｂ２，５０Ｂ１〜５０Ｂ３，５４Ｂ１〜５４Ｂ２，５８Ｂ１〜５８Ｂ３，６２Ｂ  バリアメタル膜
６３  キャップ層
【図１Ａ】
0005309722.tif 000002
【図１Ｂ】
0005309722.tif 000003
【図２】
0005309722.tif 000004
【図３】
0005309722.tif 000005
【図４】
0005309722.tif 000006
【図６】
0005309722.tif 000007
【図７】
0005309722.tif 000008
【図８】
0005309722.tif 000009
【図９】
0005309722.tif 000010
【図１０Ａ】
0005309722.tif 000011
【図１０Ｂ】
0005309722.tif 000012
【図１１】
0005309722.tif 000013
【図１２】
0005309722.tif 000014
【図１３Ａ】
0005309722.tif 000015
【図１３Ｂ】
0005309722.tif 000016
【図１４】
0005309722.tif 000017
【図１５】
0005309722.tif 000018
【図１６】
0005309722.tif 000019
【図１７Ａ】
0005309722.tif 000020
【図１７Ｂ】
0005309722.tif 000021
【図１７Ｃ】
0005309722.tif 000022
【図１７Ｄ】
0005309722.tif 000023
【図１７Ｅ】
0005309722.tif 000024
【図１７Ｆ】
0005309722.tif 000025
【図１７Ｇ】
0005309722.tif 000026
【図１７Ｈ】
0005309722.tif 000027
【図１７Ｉ】
0005309722.tif 000028
【図１７Ｊ】
0005309722.tif 000029
【図１７Ｋ】
0005309722.tif 000030
【図１７Ｌ】
0005309722.tif 000031
【図１７Ｍ】
0005309722.tif 000032
【図１７Ｎ】
0005309722.tif 000033
【図１７Ｏ】
0005309722.tif 000034
【図１７Ｐ】
0005309722.tif 000035
【図１８】
0005309722.tif 000036
【図１９Ａ】
0005309722.tif 000037
【図１９Ｂ】
0005309722.tif 000038
【図１９Ｃ】
0005309722.tif 000039
【図１９Ｄ】
0005309722.tif 000040
【図１９Ｅ】
0005309722.tif 000041
【図１９Ｆ】
0005309722.tif 000042
【図１９Ｇ】
0005309722.tif 000043
【図１９Ｈ】
0005309722.tif 000044
【図１９Ｉ】
0005309722.tif 000045
【図１９Ｊ】
0005309722.tif 000046
【図１９Ｋ】
0005309722.tif 000047
【図１９Ｌ】
0005309722.tif 000048
【図１９Ｍ】
0005309722.tif 000049
【図１９Ｎ】
0005309722.tif 000050
【図１９Ｏ】
0005309722.tif 000051
【図１９Ｐ】
0005309722.tif 000052
【図２０Ａ】
0005309722.tif 000053
【図２０Ｂ】
0005309722.tif 000054
【図１Ｃ】
0005309722.tif 000055
【図１Ｄ】
0005309722.tif 000056
【図５】
0005309722.tif 000057